结构的功能要求和极限状态

1、1第 三 章 结构设计基本原理 主要内容：结构可靠度及结构设计方法荷载和材料强度的取值概率极限状态设计法极限状态设计表达式容许应力法设计法重点：结构可靠度及结构设计方法荷载和材料强度的取值概率极限状态设计法及允许应力设计法2第三章 结构设计方法一、结构可靠度及结构设计方法工程结构的设计需要保证其安全可靠、经济合理由于实际工程结构中存在多种不确定性对工程结构的安全可靠可能会产生不利影响为避免可能产生的不安全可靠情况，一般需比计算要求的截面或材料用量增加截面或材料用量增加越多，安全可靠程度就越高，不安全的可能性就越小，但工程结构造价也越大 结构设计方法就是研究工程设计中的各种不确定性问题，以取得结

2、构设计安全可靠与经济合理之间的均衡。3第三章 结构设计方法安全性Safety （MMu）：结构在预定的使用期间内（一般为50年），应能承受在正常施工、正常使用情况下可能出现的各种荷载和变形。在偶然事件（如地震、爆炸）发生时和发生后，结构应能保持整体稳定性，不应发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。 结构的功能:4适用性Serviceability （f f wmax wmax） ：结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。如不发生影响正常使用的过大的变形（挠度、侧移）、振动（频率、振幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。耐久性Durability ：结构在正常使用和正常维护条件下，

3、应具有足够的耐久性，完好使用到设计规定的年限。例如混凝土不发生严重风化、腐蚀、脱落，钢筋不发生锈蚀等。567伦敦千年桥它把圣保罗大教堂与新的泰特现代艺术画廊和星球剧院联系起来。这座泰晤士河上的“千年桥”耗资1820万英镑，2000年6月10日首次向公众开放时，桥身出现明显摆动，三天后被迫关闭。有关部门在这座350米长的步行桥上加装了91个类似汽车减震器的装置，方得以重新向公众开放。重新开放后的千年桥热闹非凡。8910 结构上的作用是指施加在结构上的集中力或分布力，以及引起结构外加变形或约束变形的原因（地震、基础差异沉降、温度变化、混凝土收缩等）。1 结构上的作用(action)和作用效应(ef

4、fect of an action) 11第三章 结构设计方法 结构上的作用可按下列性质分类： （1）按随时间的变异可分为三类：永久作用在设计基准期内其量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的作用。如结构自重、土压力、预应力、地基沉降、焊接等。可变作用在设计基准期内不一定出现，而一旦出现其量值很大且持续时间很短的作用。如楼面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、温度变化等。偶然作用在设计基准期内其量值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用。如爆炸力、撞击力、罕遇的地震等。12第三章 结构设计方法1 结构上的作用(action)和作用效应(effect of an action)

5、 （2）按随空间位置的变异可分为二类：固定作用在结构上具有固定分布的作用。其特点是在结构上出现的空间位置固定不变，但其量值可能具有随机性。如房屋建筑楼面上位置固定的设备荷载、屋盖上的水箱等。自由作用在结构上一定范围内可以任意分布的作用。如楼面的人员荷载、吊车荷载等。13第三章 结构设计方法1 结构上的作用(action)和作用效应(effect of an action) （3）按结构的反应特点可分为二类：静态作用使结构产生的加速度可以忽略不计的作用。如结构自重、住宅或办公楼的楼面活荷载动态作用使结构产生的加速度不可忽略不计的作用。在结构分析时一般均应考虑其动力效应。如吊车荷载、地震作用、大型

6、动力设备的作用、高耸结构上的风荷载等。 上述各种作用作用在结构或结构构件上，由此在结构内产生的内力和变形（如轴力、剪力、弯矩以及挠度、转角和裂缝等）称为作用效应S。14第三章 结构设计方法2 结构抗力(resistance) 结构抗力R是指整个结构或结构构件承受作用效应（即内力和变形）的能力。 影响抗力的主要因素有：材料性能的不确定性强度、变形模量等几何参数的不确定性构件尺寸等抗力计算所采用的基本假设和计算公式不够精确等计算模式的不确定性15第三章 结构设计方法 结构在规定的时间内（设计工作寿命=50年），在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维护），完成预定结构功能的能力。 结构可靠

7、性越高，建设造价投资越大。因此，如何在结构可靠与经济之间取得均衡，就是设计方法要解决的问题。经济的概念不仅包括第一次建设费用，还应考虑维修，损失及修复的费用。 结构的可靠性 reliability16第三章 结构设计方法3 结构可靠性(reliability)及可靠度(degree of reliability) 结构可靠性是指结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力。 结构可靠度就是结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。即结构可靠度是结构可靠性的概率度量。规定的时间是指设计使用年限。规定的条件是指正常设计、正常施工和正常使用的条件。预定功能指满足结构的安全性、

8、适用性和耐久性要求。17 这种可靠与经济的均衡受到多方面的影响，如国家经济实力、设计工作寿命、维护和修复等。规范规定的设计方法，是这种均衡的最低限度。设计人员可以根据具体工程的重要程度、使用环境和情况，以及业主的要求，提高设计水准，增加结构的可靠性。第三章 结构设计方法18第三章 结构设计方法4 设计使用年限(design working life)和设计基准期（design reference period) 设计使用年限是指设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期，即结构在规定的条件下所应达到的使用年限。 设计使用年限的概念不同于实际寿命、耐久年限或设计基准期。建筑结

9、构可靠度设计统一标准规定了各类建筑结构的设计使用年限。19 设计基准期指为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数。统一标准规定设计基准期为50年。类别设计使用年限（年）示例15临时性结构225易于替换的结构构件350普通房屋和构筑物4100纪念性建筑和特别重要的建筑物 设计使用年限分类20第三章 结构设计方法5 结构的安全等级(safety class) 结构的安全等级根据结构破坏可能产生的后果，即危及人的生命、造成的经济损失、产生社会影响等的严重程度确定。21安全等级破坏后果的影响程度建筑物的类型一级很严重重要的建筑物二级严重一般的建筑物三级不严重次要的建筑物建筑结构的安全

10、等级 建筑物中各类结构构件的安全等级宜与整个结构的安全等级相同，但允许对部分结构构件根据其重要程度和综合效益进行适当的调整。22第三章 结构设计方法6 混凝土结构构件设计计算方法(calculation method for design) 容许应力法：最早的计算理论，沿用弹性理论假设。 破损阶段法：与容许应力法的主要区别是在考虑材料塑性性能极限状态设计法：明确规定结构按二种极限状态进行设计，是 的基础上，按破坏阶段计算构件截面的承载能力。工程结构设计理论的重大发展。概率极限状态设计法：在极限状态设计法的基础上考虑结构的可靠概率，按发展阶段，该法可分为三个水准。水准 半概率法水准 近似概率法水

11、准 全概率法23第三章 结构设计方法容许应力设计法假定钢筋混凝土结构的受力性能是弹性的，过于粗糙；结构中一点达到容许应力，即认为结构失效，不能充分利用材料；没有考虑结构功能的多样性要求；安全系数是凭经验确定的，缺乏科学依据。24第三章 结构设计方法破损阶段设计法 整个截面达到极限承载力才认为失效，考虑了材料塑性和强度的充分发挥，极限荷载可以直接由试验验证，构件的总安全度较为明确。 但安全系数K仍然凭经验确定， 没有考虑结构功能的多样性要求的问题。25第三章 结构设计方法极限状态设计法 除要求对承载力极限状态进行设计外，还包括了挠度和裂缝宽度（适用性）的极限状态的设计。 材料强度 fck 和 f

12、sk 是根据统计后按一定保证率取其下限分位值，反映的材料强度的变异性。 荷载值 qik 也尽可能根据各种荷载的统计资料，按一定保证率取其上限分位值。 荷载系数 kqi ，材料强度系数 kc 和 ks 仍按经验确定定，但对于不同荷载的变异大小，可取不同的荷载系数。 针对荷载、材料的不同变异性，不再采用单一的安全系数，而采用的多系数表达，26第三章 结构设计方法以概率理论为基础的极限状态设计法 由于实际结构中的不确定性，因此无论如何设计结构，都会有失效的可能性存在，只是可能性大小不同而已。 为了科学定量的表示结构可靠性的大小，采用概率方法是比较合理的。27 失效概率越小，表示结构可靠性越大。因此，

13、可以用失效概率来定量表示结构可靠性的大小。结构可靠性的概率度量称为结构可靠度degree of reliability 。（即:结构在规定的时间内,在规定的条件下,完成设计预定功能的概率。） 当失效概率Pf小于某个值时，人们因结构失效的可能性很小而不再担心，即可认为结构设计是可靠的。该失效概率限值称为容许失效概率Pf。失效概率probability of failurePf = P (S R)28第三章 结构设计方法1 荷载的统计特性(statistical characteristic of a load) 我国对建筑结构的各种恒载、民用房屋楼面活荷载、风荷载和雪荷载进行了大量的调查和实测工

14、作。对所取得的资料应用概率统计方法处理后，得到了这些荷载的概率分布统计参数。永久荷载 正态分布 可变荷载 可变荷载随时间的变异可统一用随机过程来描述。对可变荷载随机过程的样本函数处理后可得到可变荷载在任意时点的概率分布和在设计基准期内的最大值的概率分布。(极值型分布)二、荷载和材料强度的取值29第三章 结构设计方法2 荷载标准值(characteristic value of a load) 荷载标准值是建筑结构按极限状态设计时采用的荷载基本代表值。荷载标准值可由设计基准期最大荷载概率分布的某一分位值确定，若为正态分布，则如图中的 Pk。永久荷载标准值按结构设计规定的尺寸和材料容重平均值确定。

15、 可变荷载标准值 楼面活荷载标准值 风荷载标准值雪荷载标准值荷载标准值的概率含义 在结构设计中，各类可变荷载标准值及各种材料容重可由荷载规范查取。30第三章 结构设计方法3 材料强度的变异性及统计特性(variability and statistical characteristic of material strength ) 材料强度的变异性主要是指材质以及工艺、加载、尺寸等因素引起的材料强度的不确定性。 钢筋强度 正态分布 混凝土强度 正态分布某钢厂钢材屈服强度统计资料 某预制构件厂对某工程所作使块的统计资料31第三章 结构设计方法4 材料强度标准值(characteristic value of a material strength) 钢筋和混凝土的强度标准值是钢筋混凝土结构按极限状态设计时采用的材料强度基本代表值。材料强度标准值应根据符合规定质量的材料强度的概率分布的某一分位值确定。 材料强度标准值的概率含义 钢筋强度标准值具有不小于95%保证率的强度值 混凝土的强度标准值具有95%保证率的强度值3233混凝土强度的标准值(Characteristic Strength)34混凝土强度的标准值35第三章 结构设计方法承载力能力极限状态（Ultimate Limit State）：超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求。结构或构件达到最大承载力（